某特制焊丝55G-1对不同低合金钢钢熔覆金属组织和性能的影响

某特制焊丝55G-1对不同低合金钢钢熔覆金属组织和性能的影响摘要55G-1型焊丝是一种用于焊接低合金钢的新型焊丝。因此，在本次试验中采用Q345钢和HC420LA钢两种低合金钢，利用二氧化碳气体保护焊，通过改变焊接速度来改变焊接中的热量输入。试验完成之后，进行金相分析、维氏硬度测试，分析不同焊接速度对焊接接头微观金相组织变化及性能的影响，从而可以为55G-1型焊丝在实际操作中，提供相应的指导参数。试验结果表面，在不同焊接速度之下，焊接接头每个区域的金相组织及性能均有变化。Q345钢中粗晶区、细晶区硬度最大，HC420LA钢中熔覆金属区硬度最大。关键词：低合金钢；熔覆金属；硬度分析，金相分析AbstractType

55G1

wire

is

a

new

wire

used

for

welding

low

alloy

steel.

Therefore,

two

lowalloy

steels,

Q345

steel

and

HC420LA

steel,

were

used

in

this

experiment.

Carbon

dioxide

gas

shielded

welding

was

used

to

change

the

heat

input

in

welding

by

changing

the

welding

speed.

After

the

completion

of

the

test,

the

metallographic

analysis

and

vickers

hardness

test

were

carried

out

to

analyze

the

influence

of

different

welding

speeds

on

the

microstructure

change

and

performance

of

the

welded

joints,

so

as

to

provide

the

corresponding

guiding

parameters

for

the

55G1

type

welding

wire

in

practical

operation.The

results

showed

that

the

microstructure

and

properties

of

the

welded

joints

varied

at

different

welding

speeds.

The

hardness

of

coarse

crystal

and

fine

crystal

is

the

highest

in

Q345

steel,

and

the

hardness

of

cladding

metal

is

the

highest

in

HC420LA

steel.Keywords:lowalloystell;depositedmetal;hardnessanalysis;metallographicanalysis目录第1章绪论 第1章绪论1.1研究背景及意义如今，社会的高速发展，焊接技术也紧跟脚步。在日常生产制造中遵循高性能、低成本、低排放、绿色环保的指导思想。耐锈蚀、抗腐蚀性能好、能耗低、钢材硬度高等性能是低合金钢的主要特点，所以低合金钢不需要进行涂装、环保节能的特点。我国由于历史原因，低合金钢发展较晚。从1960年左右，我国才开始对低合金钢进行研究，后经过几十年不断发展，在低合金钢这一领域我国的优势逐渐变得明显。这几年，钢铁业在我国发展迅猛，高强度低合金钢也有较大发展，新型高强度低合金钢相继出现。目前，我国最常用的低合金钢屈服强度一般大于350MP，抗拉强度全部大于485MP。抗腐蚀性能为普通碳钢的２～８倍。低合金钢应用比较广泛，在桥梁方面使用最多，然后是应用于铁轨、车辆这方面。如今的社会，发展迅速，在对低合金钢的使用方面，性能要求也在逐渐提高。在对低合金钢的使用过程中，应用最为广泛的工艺是焊接工艺，使用焊接工艺的原因是在于要注意焊接结构的整体耐腐蚀性，并降低焊接接头和母材抗腐蚀性能。同时由于化学、物理等方面的因素影响，焊接接头的抗腐蚀能力弱于母材，是整个工件中的性能最弱的一个环节。因此，要保障设备结构的安全性，就必须选择合适的焊接材料和合适的焊接工艺，从而让母材与接头的抗腐蚀能力相接近。某公司所研制的55G-1型焊丝主要应用于焊接低合金钢，但是对于其不同合金的焊接适应性还有待研究。因此，本文通过使用55G-1型焊丝对焊接不同的低合金钢，然后截取试样，利用金相显微镜、硬度计等实验设备对焊接接头进行金相分析、硬度分析、抗腐蚀性能分析，并据此评判55G-1型焊丝的焊接适应性能。本文研究的题目为某特制焊丝55G-1对不同低合金钢熔敷金属组织和性能的影响。其目的是为了研究使用55G-1焊丝对不同类型的低合金钢焊材进行焊接，对焊接接头的金相组织和力学性能进行研究，对截取的焊接接头试样打磨、抛光、腐蚀，然后利用金相显微镜金相金相分析观察金相组织。再使用硬度计等设备仪器对不同的焊接接头组织结构和硬度进行分析，通过分析总结，评判该新型焊丝的焊接适应性。这些研究的内容对于55G-1型焊丝对低合金钢焊接的应用研究具有重大的意义。1.2焊接接头1.2.1焊接接头组成焊接接头是指通过一定的焊接工艺使两个工件连接在一起的接头部分，主要有三个组成部分，分别是焊缝、熔合区、热影响区。1.焊缝区焊缝区是填充物在高温条件下和接头金属进行熔合，在一定时间内后凝固形成的区域。金属液化后形成的铸态组织称为焊缝组织，焊缝组织的晶粒比较粗大，且组织成分不够致密。不过，因为焊接熔池小、冷却快，且C、S、P元素含量低及其他化学成分受到严格控制。同时，还可以渗透合金元素，达到一定量的合金元素。因此，焊缝金属的性能良好，强度等性能完全达到使用要求2.熔合区熔合区是位于熔化区和非熔化区的过渡部分。由于熔合区的化学成分均匀程度不够，过热组织和淬硬组织晶粒比较粗大，焊接性能太差。因此，在焊接接头中机械性能最差的是过热区组织，从而给焊接接头质量产生巨大的影响。3.热影响区焊缝区经过高温加压之后，组织和性能会发生比较大的改变，发生改变的区域称为热影响区，根据加热温度的不同，将热影响区分为过热区、正火区、部分相变区。过热区：过热区区域的晶粒比较粗大，会产生过热组织，加热温度都是1100℃以上。同时，过热区还是热影响区机械性能最差的区域，主要是其塑性和韧性都较差。正火区：焊接过后通过空气冷却产生的正火组织晶粒较为细小，为此其加热温度主要是在Ac3-1100℃。部分相变区：焊接过程中发生组织相变，导致晶粒均匀度不够，力学性能较差，加热温度主要是位于Ac1-Ac3℃。1.2.2焊接接头的分类根据焊接原理的不同，可以将焊接分为三种不同的焊接，分别是熔化焊、钎焊、压力焊等。熔化焊是通过高热量使焊接接头熔化成液体状态，然后以一定的速度进行冷却成型。钎焊是采用物理作用对两个构件进行加压，使焊件表面之间相互靠近，从而实现工件的连接。压力焊使选择熔点低于母材的焊材，通过提高温度到母材和焊材之间，使焊材熔化后充满工件的间隙，从而实现构件的连接。因此,根据焊接方法的区别,可以将焊接接头分为熔焊街头、钎焊接头、压力焊接头三种。同时根据焊接的结构形式不同，主要有以下5种焊接接头应用最为广泛。①对接接头：受力均匀，外形美观平整，应用最多。②搭接接头。焊前准备简单，焊接成本低，接头强度低。③角接接头。传递工作载荷，以连接为主。④T形接头。强度高，应用广。⑤端接接头。1.2.3焊接接头的性能焊接接头的组成部分主要有三个部分，分别是焊缝区、熔合区、热影响区。因此焊接接头的性能主要由焊缝区、熔合区、热影响区的性能决定。1.焊缝区焊缝区的性能除了取决于化学成分和组织之外,还和焊缝金属的第一次、第二次结晶紧密相关。焊缝金属从液体状态转变为固体状态称为第一次结晶，焊缝金属在第一次结晶后从高温冷却到室温会发生一定的固态相变，称为二次结晶。在焊缝第一次结晶过程中细柱状晶的性能要比粗柱状晶的性能好，胞状晶的性能也比树枝晶的性能强。其主要原因在于粗晶体金属强度低、塑性和韧性都比较差，而且对于热烈纹比较敏感。焊缝的抗裂性能差，偏析严重程度高，力学性能和抗腐蚀性能比较不均匀，主要原因是偏析、化学不均匀。二次结晶的类型、特征、形态的不同也会导致焊缝金属的性能不同。贴铁素体、奥氏体强度低,塑性和韧性好,抗裂性好;珠光体强度高于铁素体,塑性和韧性却低于铁素体;马氏体强度较高,高碳马氏体硬而脆,低碳马氏体强度好,韧性和塑性优良。2.熔合区熔合区位于焊缝和热影响区之间，作为一个不完全的熔合区，其加热温度介于固体和液体之间，其化学性能的影响因素主要由金属化学成分、焊接热循环决定。如果在焊接过程中，焊接材料和焊接钢材的化学成分相近，则最后产生的熔合区化学成分变化不够明显，不过靠近金属的一侧由于晶粒的粗大，会导致金属塑性和韧性低，因此这一位置的性能比较差。如果焊接材料和焊接钢材的化学成分相差较大时，会导致膨胀系数、组织状态区别较大，一般这个时候合金元素会有一定的分配，最终导致产生较大热应力及淬硬组织。因此，这个时候的熔合区容易产生裂纹并发生局部脆性破坏。3.热影响区焊接过程中热影响区先被加热到高温，然后冷却，因此过热区、正火区、部分相变区、再结晶区皆存在加热和冷却的过程。低合金钢的淬硬倾向大，热影响区会出现马氏体组织，其硬度大、脆性大、易开裂。1.2.4焊接接头性能的影响因素焊接接头的性能由焊接材料和焊接钢材的化学成分和组织决定，因此影响焊接接头性能主要是焊接材料、焊接方法、结构特点、焊前预热及焊后热处理。1.焊接材料焊接材料选择主要由金属成分和性能决定。不同结构和接头的刚性、材料的焊接特点不同，且焊接过程中选择的参数及注意事项不同。因此，在选择焊条、焊丝时要注意与金属的化学成分、性能保持一致。对于一些奥氏体不锈钢焊接，焊接材料通常所含有的铁素体含量较低，这样可以有效提高焊接接头的抗裂性能。同时，焊接过程中肯定存在或多或少的工艺缺陷，为此，焊接材料的抗拉强度一般需要高于金属材料。有时一些钢材可能存在热烈纹、拘束度大的问题，此时焊接材料的抗拉强度应该低于焊接金属。对一些重要容器及管道的焊接,采用低氢型碱性材料,目的是为了减少接头的冷裂纹倾向。2.焊接方法按照焊接工艺的不同，可以将焊接分为单道焊和多层焊。手工焊的电流、速度可以分为大小电流、快慢速。焊接方法的不同，焊接过程所需要的热源和机械保护效果不同，致使焊接过程中温度和热量不同，热影响区大小和焊接接头组织粗细也不相同。因此,接头的性能也就不同。单道大功率慢速摆动操作时在坡口两侧高温停留时间长、接线能量大、热影响区加宽、焊接接头晶粒细化、塑性和韧性降低,会导致热裂纹的产生。多层多道小电流快速小摆动法的热影响区窄、接头晶粒细小、塑性和韧性好。不锈钢焊接中操作方法、次序、坡口尺寸不当会在熔合线及过热区产生刃状腐蚀,原因在于焊接时温度高达2300℃,Ti、Nb的碳化物会溶解,碳会最先扩散到晶界处,冷却后晶内碳含量减少,碳和晶界处的铬形成碳化铬,而晶内的Ti、Nb还来不及扩散到晶界起稳定作用。3.预热和焊后热处理在焊接工作前需要对焊接坡口进行加温，提高温度到2℃左右，这种操作称为预热。使用预热好处较多，主要有改善金属焊接性，降低焊接接头区域温度差，减小热影响区的淬硬性，而且可以使焊缝中的氢气析出，降低含氢量，防止产生热烈纹、冷裂纹。通过加热使焊接接头的温度提高到一定水平并保持，然后短时间内进行冷却的工艺称为焊后热处理。焊后热处理方法主要以高温回火、降低应力退火、正火加回火为主。焊后热处理可以使焊缝应力松弛，降低焊接残留应力峰值,焊接接头的淬硬组织软化,降低含氢量,提高焊接接头的耐腐蚀性能、冲击韧性、蠕变强度。虽然预热和焊后热处理能够明显改善焊接接头性能,但也要注意规范性和操作方法。如果操作不当不仅不会提高焊接接头性能,反而会使焊接接头性能变差。因此,选择预热和焊后热处理时,要综合考虑焊接金属的性能、结构刚性、应力状态、施焊环境温度碳含量大小。施焊温度低、碳含量大时都需要考虑进行焊前预热。1.3低合金钢1.3.1低合金钢概述钢分为合金钢和非合金钢两种。非合金钢也是碳素钢的一大钢类，主要元素为铁和碳元素，并带有少量的Mn、Si、Al合金元素和P、S、N、H、O等杂质元素。合金钢是指在碳钢的基础上加入Cr、Ni、Mo、V、Ru、Ti、Al、Mn等合金元素，主要目的是为了获得相应的物理、化学、力学性能。当合金钢中合金元素低于5%时称作低合金钢，合金元素介于5%-10%时称作中合金钢，合金元素超过10%时称作高合金钢。因为受到合金元素的影响，低合金钢拥有强度高、韧性强、工艺性能优良、生产成本低等优点。被大量运用于交通行业、建筑行业、压力容器行业，常常用作焊接制造结构和机械元件等。针对用于焊接的低合金钢，主要分为高强度钢和特殊专用钢两种。高强度钢有热轧及正火钢、淬火和回火碳钢、低碳调质钢。特殊专用钢包含珠光体型耐热钢、珠光体型低温钢、耐低合金腐蚀钢。同时，依据性能质量、主要特性和使用性能、合金种类、热处理方式等方式进行分类。按照性能质量分为：高档性能、普通性能、特殊性能的低合金钢。按照主要特性和使用性能：低合金类高强度结构用钢、耐候钢、钢筋用钢、铁轨用钢、其他特殊类型低合金钢。按照合金种类分：C-Mn、C-Mn-Si、C-Mn-Ti、C-Mn-Mo、C-Mn-Ni等近30种合金系列。按照热处理方式分：热轧态、控制轧制态、温度控制轧制形变态、高温回火态等。1.3.2低合金钢的性能1.强度性能一个结构能够承受的不发生永久变形的应力由结构件的屈服点决定。低合金钢的最小屈服点是345MPa，大于碳素结构钢的最小屈服点235MPa，所以低合金钢的使用允许应力是碳素结构钢的1.4倍，因此使用低合金钢可以减小结构件的尺寸，减轻重量。若是使用低合金钢替换碳素结构钢却不改变尺寸，则可以在不增加重量的情况下获得强度更高更耐久的结构。这对于运输行业汽车的结构是一个很重要的影响。低合金钢中通过加入Nb和Ti微合金元素，容易让钢中的C和N元素形成Nb(C,N)或Ti(C,N)，会呈现细小弥散的第二相质点形态分布，使质点和位错发生交互作用，阻碍位错运动，提高低合金钢的强度。要想获得满足条件的强度，对于热轧薄板，可以通过严格控制热轧和卷取工艺获得。对于冷轧薄板，可以通过采用特殊的退火和平整工艺获得，同时保持良好的成形性能。2.成形性能低合金钢具有良好的成形性能，能够很好的应用于生产生活，通过热加工或者冷加工制成工程结构的各种部件。即使低合金钢屈服点高，成形操作剧烈，但是仍然可以通过冷弯冲压机、拉拔机、压力机等进行剪切、冲孔、机加工艺。3.焊接性能由于低合金钢能够在厚度是钢带和薄板的情况下，广泛使用电弧焊工艺进行焊接，因此低合金钢能够在生产过程中使用焊接工艺，且焊接的焊缝强度和韧性能够满足要求，承受住用途过程中出现的最坏情况。不同的低合金钢所具有的焊接性能是不同的，绝大部分低合金钢是能够进行很好的焊接，少部分低合金钢要有合适的焊接工艺。针对大型型钢、C含量和Mn含量较高的型号，通常需要进行预热或者采用低氢焊条。对最小屈服点不超过345MPa的低合金钢，通过采用低碳涂药焊条进行气体保护熔化极电弧焊。而对于最小屈服点大于415MPa低合金钢的焊缝金属需要具有更高的耐腐蚀性能，因此采用低合金钢焊条。针对用于汽车工业的低合金钢高强度钢薄板，其碳含量不能超过0.13%，以便于得到良好的点焊性能。4.耐腐蚀性能大量使用低合金钢的原因主要是由于低合金钢的强度高而且截面薄，使用低合金钢不仅可以减轻重量，更重要的是在于能够降低成本。但是，一般而言钢材的截面越薄，就越容易导致钢材腐蚀。一般的钢结构防腐主要以在钢材表面涂防腐层并对防腐层加以相应的保护的手段。低合金钢因为拥有良好的耐大气腐蚀，所以能够提高防腐涂层的防腐效果，甚至可以直接不使用涂层暴漏在大气中使用。市面上尚且还没有钢材的耐腐蚀条件能够好于低合金钢。低合金钢发高耐腐蚀性主要原因在于加入其中的Cu、P、Si、Cr、Mo、Ni等元素。正是因为低合金钢的优良的耐腐蚀性能，推动了建筑、桥梁等结构设计新概念的产生。可以在一些裸露的环境中，使用低合金钢达到节省涂层或者得到钢材表面的均匀的大气氧化的外观。5.缺口韧性性能缺口韧性是指缺口断裂韧性，是一种常见的冲击韧性，是强度和塑性的综合变现。缺口韧性主要由温度和应变速度决定。低合金钢具有很好的缺口韧性，但是不同牌号的低合金钢的缺口韧性适用性不同，需要依据以往使用经验或者根据缺口试样的冲击试验结果综合考虑。通过热轧技术生产的用于焊接管线钢管的低合金钢，就需要符合相关标准对缺口韧性的要求1.3.3低合金钢的焊接研究现状低合金钢钢是指含合金元素总量小于5%的合金钢。其应用范围比中合金钢和高合金钢广泛。目前低合金钢分为8个牌号：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690。按照质量的不同分为A、B、C、D、E等级。低合金钢焊接中主要受焊接接头的冷裂纹和焊接热影响区的淬硬倾向影响。目前低合金钢的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊、电渣焊、钎焊等7种方法。目前低合金钢焊接中，要提前通过焊前预热使焊后降低冷却速度，避免淬硬组织的出现，减小焊接应力，防止裂纹产生，改善接头组织和性能。而钢预热温度取决于钢材的成分、板厚、焊接结构形状、拘束度、环境温度等因素。因此，现阶段的预热温度一般采用100～200℃，小零件及薄板不需要预热。焊接参数的选择则取决于过热区的脆化和冷裂纹的趋向。因为钢的脆化和冷裂纹的趋向不同，因而对焊接热的输入要求差别大。焊接含碳量低时，对热输入没有严格的控制。焊接含碳量偏高时，热输入应偏大些，由于强度等级较高的低合金高强钢度钢，淬硬性倾向较大，应选用较大的热输入。目前对于碳基合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金钢，如18MnMoNbR,则选用较小线能量、增加焊前预热、焊后及时热处理等措施。原因在于这种钢淬硬倾向较大，要考虑其热影响区的过热倾向。因此，现阶段的低合金钢焊接，基本采用焊前预热焊后热处理措施，并减小焊接过程中的热输入。1.3.4低合金钢的发展趋势虽然在未来我国的钢铁行业仍会面临经济增速低迷、钢铁需求减少、竞争情况加剧、企业生产成本和运行大幅度上升、环保压力增大等一系列问题。但是危机是共存的，挑战意味着机遇。建筑用钢量是我国钢产量的20%左右，随着我国工业化和城镇化的发展，建筑业成为我国经济发展的命脉。因此，建筑行业的用钢需求量是不断上升的，建筑行业钢材料的升级换代也会推动更高强度低合金钢在建筑行业的应用。中国造船业的增长势头高昂，成为了世界上最大的造船国家。目前,中国造船用钢在品种、规格、质量、数量方面完全能够满足中国造船行业的要求。造船业的快速发展促进了中国造船用钢的技术进步。船板钢产量也是稳步提升，当下船板的强度等级已经覆盖了船体钢标准的所有等级。中国汽车产销量均位列世界第一。汽车工业的快速发展,推动着汽车用钢的研发水平和生产进入发展的快车道，带动了冷轧钢的研发和技术发展。因此，在未来低合金钢的发展是具有广阔前景的。在装备技术方面，将逐步完善并提高在偏析控制、中厚板、型钢的热处理、高强度钢板的版形控制水平。推动微合金技术在提高钢材的强度水平的应用。加大对细晶/超晶细晶的技术应用，能够在减少资源消耗、降低发展高强度钢成本的同时使低合金钢的强度翻倍。1.4焊接材料1.4.1焊接材料的分类焊接材料是指在焊接过程中所消耗的材料，主要有焊条、焊丝、焊剂三种。焊接材料的选用遵循五个原则：①等强度原则。当焊接同以种材料时，应当按焊接接头与母材等强度的原则来选择焊接材料。②就低不就高原则。强度不同的等级钢材进行焊接时，应按强度等级低的一种来选择焊接材料。③等同性原则。即碳钢或低合金钢与不锈钢焊接时，需要一律采用高镍铬不锈钢焊条。④等条件原则。焊接承受冲击载荷构件时，使用碱性低氢型焊条。⑤低缺陷原则。对厚板多层焊时，可以选择采用低强度等级焊接的材料，这样有利于减少冷裂纹；焊接淬硬倾向大的中碳调质钢时可选择采用奥氏体焊条焊接，以减少冷裂纹的产生。1.焊条焊条是一种涂有药皮的供电弧焊使用的熔化电极。主要由药皮和焊芯两部分组成。焊芯主要指焊条中被药皮包覆的金属芯，通常是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接的过程中，其主要有两个方面的作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能；二是焊芯本身熔化为填充金属与母材金属熔合形成焊缝。药皮指压涂在焊芯表面的涂层，其主要由各种矿物质组成，能使电弧燃烧得到稳定，提高焊缝质量。通过在焊条药皮中加人铁合金或者一些纯合金元素，使之随着药皮的熔化而不断过渡到焊缝金属中去，用来弥补合金元素烧损和提高焊缝金属的机械性能。焊条按照用途分低碳钢和低合金高强度钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条等八种。按焊条药皮熔化后的熔渣特性分酸性焊条、碱性焊条两种。2.焊丝主要分为轧制类、铸造类、药芯类、药芯焊丝四种。3.焊剂焊剂是指焊接过程中熔化形成熔渣对熔化金属起保护和冶金作用的一种物质，其被广泛使用于埋弧焊和电渣焊。焊剂按照制造方法分为熔炼焊剂、烧结焊剂、粘结焊剂三种。焊接过程中能机械保护作用焊剂熔化后形成熔渣，防止空气侵入。改变焊缝表面成形焊剂熔化后成为熔渣覆盖在熔池表面，防止飞溅、提高熔覆系数。1.4.2特制焊丝焊丝是一种用于填充金属或者导电用的金属丝，主要有碳钢焊丝、低合金结构钢焊丝、合金结构钢焊丝、不锈钢焊丝、有色金属焊丝。特质焊丝是一种应用于指定焊接材料的焊丝。其不具备广泛性，只针对所焊接的材料的使用。例如55G-1型特质焊丝，其主要应用于低合金钢的焊接使用、研究。1.5本文主要研究内容本文根据焊接工艺对焊接接头的影响，从而评判55G-1型焊丝的焊接适应性。选用55G-1型焊丝，以不同的低合金钢焊材进行不同焊材之间的对比实验。再进一步具体的研究，其主要研究内容如下：1.了解并分析低合金钢焊材的特点，选择合适的低合金钢焊材材。2.分析焊接工艺、焊接材料、焊接方法等方面对焊接接头的影响。3.通过对焊接接头的打磨，抛光，腐蚀等，再使用光学显微镜等仪器观察金相组织。4.用硬度计等仪器对切割好的试件进行硬度分析。第2章试验条件2.1试验流程图2-1试验流程图本次试验是利用55G-1型焊丝焊接Q345钢和HC420LA低合金高强度钢，在保证其他焊接参数不变的情况下，通过改变焊接速度和送丝速度对Q345和HC420LA进行气体保护焊接。焊接结束之后，对焊接接头进行清洗、取样，对所取试样进行金相分析和硬度测试，对比分析结果，分析总结不同焊接速度下55G-1型焊丝对不同低合金钢熔覆金属组织和性能的影响。本次试验在不同焊接速度下进行7次焊接试验，分别是：1.Q345钢在3种焊接速度下的焊接试验。2.HC420LA低合金高强度钢在4种焊接速度下的焊接试验。2.2试验材料本次试验是通过焊接试验，分析总结出特制焊丝55G-1对不同低合金钢熔敷金属组织和性能的影响，因此此次试验焊材为55G-1型焊丝。母材的选择是通过市场调查，选择市场上应用比较广泛的低合金钢，主要选择Q345钢和HC420LA低合金高强度钢两种。2.2.1母材的选择1.Q345Q345是一种低合金钢，其屈服强度为345MPa，其屈服强度随着材料厚度增加而减小。Q345的焊接性能、低温性能、冷冲压性能、低温性能、可切削性能、综合力学性能等方面都良好。广泛应用于压力容器、建筑、桥梁、船舶、车辆、特种设备等行业，其主要化学成分见表2-1。表2-1Q345化学成分成分CSiMnTiPSCrMoNi其他元素Wt%≤0.20≤0.501.70≤0.200.0350.035≤0.30≤0.10≤0.012少量2.HC420LAHC420LA是一种低合金高强度钢，是以传统低碳钢为基础，通过添加少量的微量元素Nb、Ti、N来提高材料强度，同时降低材料重量，其屈服强度达到388MPa，抗拉强度为516MPa。因其具有成本低廉，强度高等优点，被广泛应用于汽车、建筑行业，主要用于汽车底盘、建筑构件，其主要化学成分见表2-2。表2-2HC420LA化学成分成分CSMnSiPNbTiNAlsWt%0.080.0021.100.030.0150.050.030.0050.042.2.2焊材的选择55G-1型焊丝是一种最新研制出的新型焊丝，如图2-2所示，主要用于焊接不同的低合金钢，被广泛应用于建筑、桥梁、高铁等行业。通过新型焊丝焊接过后的熔覆金属抗拉强度和屈服强度极高，主要原因在于55G-1型焊丝的焊接组织以贝氏体、珠光体、铁素体为主。使用55G-1型焊丝能够很好的提高焊接电弧的稳定性，很大程度上提高其低温冲击性能，其抗腐蚀性能优异，综合力学性能远优于市场同类产品。图2-255G-1性焊丝55G-1型焊丝严格控制O、N及杂质元素的比例，然后适当提高一些微量元素的比例，主要Ni、Mo、Ti金属元素为主。其主要化学成分如下表2-3.表2-355G-1型焊丝化学成分成分CSiMnPSCrMoNiTiCuWt%0.0760.41.30.00520.0050.40.140.80.0180.455G-1型焊丝使用注意事项：1.母材焊接前需对母材焊道进行清理，除去母材表面锈、油污、杂质。2.焊接过程中焊缝不宜过长，如果焊缝太长，焊接过程中母材会受到焊缝较大的应力作用，容易导致母材发生断裂。2.3焊接试验2.3.1试验设备1.焊接设备本次实验所采用的焊接方法是气体保护焊。气体保护焊同时也被称为气体保护电弧焊，其主要原理是通过利用气体介质，使气体介质作为电弧介质，从而达到保护电弧和焊接弧的作用。保护气体主要有Ar、He、CO2等气体，在本次实验中，针对实验条件、实验有关情况及各种气体的优缺点对比，决定采用CO2气体保护焊。同其他类的焊接方法相比，CO2气体保护焊的优点较为突出。①是焊接成本低廉。CO2气体容易获得，所以价格低廉且能耗小，成本同其他类的焊接方法相比仅占30%-50%。②焊缝质量优。焊接生成的焊缝抗锈蚀能力优、抗裂性能强，油污对其影响低，焊缝氢元素含量低。③生产效率高。CO2气体保护焊焊接过程中电弧比较集中，熔覆的速度快，且焊接过后不需要对焊渣进行清理。④适用范围广。CO2气体保护焊可以在母材的各种位置进行焊接处理；同时不论是薄板和厚板，CO2气体保护焊的焊接适应性能力都较为出众，很难受到环境的影响。因此，通过和其他类的焊接方法进行对比之后，优先选择CO2气体保护焊来进行此次实验。NB-200IGBTCO2气体保护焊机，是一种应用比较广泛的CO2气体保护焊焊接设备。其主要组成部分有6个部分，分别为焊接电源、送丝系统、焊枪、供气系统、冷却系统、控制系统。目前，被广泛用于焊接低合金钢、低碳钢及耐磨零件的堆焊。为此，本次试验选择NB-200IGBTCO2气体保护焊机来进行CO2气体保护焊焊接，如图2-3所示。图2-3NB-200IGBTCO2气体保护焊机2．金相分析设备金相显微镜采集系统是通过光电转换，将光学显微镜和计算机进行有机结合。通过系统可以直接在目镜上进行图像显微观察，也可以通过调整光学显微镜的准焦直接在计算机显示屏上观察实时动态图像，如图2-4所示。通过计算机可以将观察出的图像进行编辑、截图保存、打印，以便后期作为实验数据使用。本次实验分析过程中主要使用的是电脑型金相显微镜，其主要组成部分有5个部分，分别为金相显微镜、适配镜、摄像器、图像采集系统、计算机。金相显微镜采集系统的使用步骤共有7步，分别是：1.依据实验需求，确定放大倍数，根据放大倍数的确定选择相配套的物镜和目镜，然后安装到相应的物镜座和目镜筒之中。2.调整载物台中心和物镜中心，使两中心相互对齐，再把已经制备好的试样放于载物台的中心，需要注意将试样的观察面朝下对准载物台中心。3.首先调整粗准焦旋钮，使物镜逐渐接近试样观察表面，当计算机显示屏中显示出模糊的图像时停止转动粗准焦旋钮，然后通过转动细准焦旋钮，直到出现清晰的图像为止。4.通过光圈调节光线的明暗，通过合适的滤镜片，以获得更加清晰的图像。5.为了观察试样的其他部位的金相组织，对比不同部位的金相组织，获取具有图像质量比较高的图像，可以通过移动载物台实现。6.图像观察完毕之后，要及时通过移动粗准焦旋钮使物镜返回原位，并及时关闭电源。7.将物镜座、目镜筒中的物镜、目镜取下来，检查物镜和目镜是否受到污染，有灰尘存在；如果受到污染，利用实验室的专用镜头纸对镜头进行擦拭，擦拭之后放入专用的存放器之中，保证物镜、目镜不受环境影响。最后清洁实验桌面，并将防尘盖盖在显微镜上。图2-4金相显微境3.硬度测试设备材料硬度的表示一共有三种，分别是布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度。维氏硬度是维克斯公司于1921年提出的一种硬度概念，维氏硬度计的测量原理是先以一个方锥形金刚石压入材料表面产生压痕，通过测量产生压痕的对角线长度，再利用公式计算出硬度的数值。维氏硬度计适用范围广泛，其硬度测定不仅适用大型工件和材料的深表面层，也适用于厚度比较薄的工件及一些材料的镀层。使用维氏硬度实验优点很多，①是测试结果精度高。产生的压痕为正方形，轮廓清楚，测量对角线的精度高。②是测量范围广。市场上所有的金属材料都可以使用维氏硬度计。③是试验力无法影响测试结果。只要材料的硬度均匀，通过维氏硬度计测量硬度就能够得到准确的硬度值，而不会受到试验力的影响。④是适用于薄小材料。同布氏硬度相比，由于维氏硬度的试验力可以很小，所产生的压痕小，对薄小材料产生的影响可以忽略不计。通过对三种硬度测试方法进行相关了解之后，结合自身的实验，决定本次实验中硬度测试选择维氏硬度计。使用维氏硬度计中仍然有需要注意的事项。①是试样外表。试样需要保持光滑平整(Ra≤0.4μm),需要去除试样表面残存的油污、氧化皮、杂物。②是试样制备。硬度测试之前，焊接出的工件要通过减低超温、冷却硬化，以排除其他因素对材料表面硬度的影响。图2-5维氏硬度计2.3.2焊接工艺参数的选取本次实验通过改变焊机的焊接速度和送丝速度，对两种低合金钢焊材进行焊接，一共进行7组实验。分别设置Q345为一号钢、HC420LA为二号钢。详情见下表2-4。表2-4试样分组钢材种类材料组号材料组号材料组号材料组号Q3451-11-21-3HC420LA2-12-22-32-4一号钢焊接工艺参数如下表2-5表2-5一号钢焊接工艺参数组号焊接速度（mm/s）送丝速度（mm/s）1-1481-2581-368二号钢焊接工艺参数如下表2-6表2-6二号钢焊接工艺参数组号焊接速度（mm/s）送丝速度（mm/s）2-1282-2482-3682-4882.4焊接质量分析试验2.4.1试样选取试样的制备需要严格按照实验相关规定进行，只有这样切割出来的试样才能够满足实验的研究要求，才不会有太大的实验误差。依据一号钢、二号钢的焊接结果，按照组号进行相应的试样制备，每个组号切割两份试样，总共需要切割12份试样，如下图2-6所示。切割之前要做好标记工作，以免后期金相、硬度测试中产生混乱，导致实验结果出现误差。试样的制备需要遵守的原则共有两项。1.观察焊缝。焊接完成后，先等待工件冷却，然后观察焊缝的形成是否满足要求，焊接结果没有出现较大的焊接错误。2.去除表面杂质。焊接前去除油污、铁锈，避免出现焊接过程中残渣混入焊缝产生焊接缺陷、裂纹的情况；焊接过后，使用砂轮机打磨试样表面，将在焊接过程中可能产生的油污、杂质去除，保证试样清洁。图2-6金相试样选取2.4.2金相试验金相分析是选取焊接过后具有母材、焊缝、热影响区、融合区的焊接区域，然后对试样进行打磨、抛光之后，利用化学试剂腐蚀，在显微境下观察组织成分，从而分析总结出试验结果的一种焊接试验分析方法。金相分析共有3步，分别是：1.金相制样。第一步是利用砂轮打磨机将试样的棱角及明显不平之处打磨掉，试样表面成为较为光滑平整的表面，并把边界打磨成钝边。第二步是使用不同目数（#80-#1200）的砂纸，按顺序分别选用粗砂纸到细砂纸对试样进行磨取，在磨取过程中，要及时清理砂纸上残留的金属渣，且用力要保持均匀、平衡于水平面，避免在磨取过程中对试样表面产生划痕，影响后续观察。第三步是进行抛光，将通过#1200磨取后的试样在抛光机上抛光成镜面，为下一步腐蚀做准备。2.金相腐蚀。第一步用流水对抛光后的试样进行冲洗，冲洗过后使用酒精擦拭试样表面，去除水分。第二步是待试样表面水分去除之后，采用4%的硝酸酒精溶液对试样表面进行滴式腐蚀或者棉签擦拭，注意腐蚀时间，当时间一到，立即使用流水冲洗，冲洗过后用酒精擦拭，吹风机吹干。3.金相观察。利用金相显微境采集系统，对试样进行观察。分析母材、焊缝、熔合区、热影响区的金相组织，分析总结出相应的实验结果。2.4.3硬度试验硬度测试要在常温下进行，并严格遵循相应的试验规程。选取焊接完成的试样，通过一定的金相处理，然后使用维氏硬度计在焊接接头的不同区域进行维氏硬度测试。因为硬度试验需要对焊接接头的不同部位进行组织观察。因此，需要使用维氏硬度计对熔覆金属、粗晶区、细晶区、母材四个区域进行硬度测试，各区域的分布情况如图2-7所示。在每个区域均选择三个光滑平整、无瑕疵的表面进行打点测试，然后再计算出每个区域的维氏硬度平均值，从而得到出焊接接头各区域的硬度测试结果。试验测试步骤总共有5步，分别是：1.选择打点区域。通过显微境观察试样，在试样上选择相应的打点区域。2.明确打点位置。通过目镜在相应的打点区域找到光滑平整的表面，避免因表面坑洼影响测试结果，如图2-8所示。3.开始打点。启动维氏硬度计上的START键，使钻头进行自动转换、打点。4.测量对角线。通过目镜观察菱形凹点，然后调整测量器，对菱形凹坑的对角线长度进行测量，如图2-9所示。5.计算硬度值。将测量出来的对角线长度输入维氏硬度计，等待维氏硬度计计算出维氏硬度值。图2-7焊接接头区域分布示意图图2-8光滑表面的确定图2-9对角线测量第3章不同低合金钢的熔覆金属组织和性能研究3.1不同低合金钢的焊接接头的金相组织分析对金相组织的分析，主要是通过金相显微境来观察焊接接头的焊缝、粗晶区、细晶区的组织，研究组织成分和组织变化的过程，通过对比不同焊接速度之下试样的组织结构，从而分析55G-1型焊丝对Q345钢和HC420LA低合金高强度钢的影响。3.1.1Q345钢焊接接头的金相组织分析在焊接Q345钢的试验中，保持送丝速度为8mm/s，逐渐提高焊接速度，分别是4mm/s、5mm/s、6mm/s，因此焊接接头的冷却速度也在逐渐提高。对于焊接接头的各区域焊接温度也是从焊缝中心一侧逐渐向母材一侧降低。1.焊缝区金相组织分析当焊接速度为4mm/s时，焊接温度较高，焊缝组织奥氏体化，在奥氏体晶界处会析出部分铁素体，如图3-1a、3-1b所示。当焊接速度为5mm/时，焊接温度会变低，同时焊接接头的冷却速度会提高，此时焊缝组织中在铁素体晶界处伴有三次渗碳体生成，并有针状马氏体生成，如图3-2a、3-2b所示。当焊接速度为6mm/s时，焊接接头快速冷却，此时焊缝晶粒以柱状晶为主，并析出大量的三次渗碳体，如图3-3a、3-3b所示。图3-1a200倍焊缝组织图3-1b1000倍焊缝组织图3-2a200倍焊缝组织图3-2b1000倍焊缝组织图3-3a200倍焊缝组织图3-3b1000倍焊缝组织2.粗晶区金相组织分析当焊接速度为4mm/s时，焊接过程中热量输入大，此时粗晶区组织以奥氏体为主，在奥氏体晶界处析出少量二次渗碳体，如图3-4所示。当焊接速度为5mm/s时，焊接接头冷却速度提高，此时粗晶区的组织以铁素体为主，在铁素体晶界处会析出三次渗碳体，晶界内部含有针状马氏体，如图3-5所示。当焊接速度为6mm/s时，此时焊接接头温度较低，焊接接头冷却更快，此时粗晶区的组织以铁素体为主，但是在铁素体晶界处的三次渗碳体含量较多，如下图3-6所示。图3-4粗晶区图3-5粗晶区图3-6粗晶区3.细晶区金相组织分析当焊接速度为4mm/s时，此时细晶区的组织以渗碳体和铁素体组成的珠光体为主，渗碳体含量较多且颗粒粗大，如图3-7所示。当焊接速度为5mm/s时，此时细晶区的组织仍然以珠光体为主为主，但是铁素体所占含量多，由于焊接速度的提高，渗碳体的颗粒逐渐变细，如图3-8所示。当焊接速度为6mm/s时，细晶区的组织同样以粒状珠光体为主，但是随着焊接速度的提高，焊接接头冷却速度提升，粒状珠光体的渗碳体颗粒较细，且铁素体的白色面也在增加，如下图3-9所示。图3-7细晶区图3-8细晶区图3-9细晶区3.1.2HC420LA钢焊接接头的金相组织分析同Q345焊接过程一样，在焊接HC420LA的焊接试验过程中依然是保持送丝速度在8mm/s，逐渐提高焊接速度，依次为2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s。因此，焊接过程中，焊接温度是逐渐降低的，减短了高温停留的时间，焊接接头的冷却速度是逐步提高，1.焊缝区金相组织分析当焊接速度为2mm/s时，长条状的共析铁素体沿着奥氏体晶界逐渐生成，而板条状的共析铁素体沿着奥氏体晶界向内部延伸，同时会有少量的黑色碳化物生成，如图3-10所示，碳化物能够改善焊缝性能，提高硬度。当焊接速度为4mm/s时，先共析铁素体会随着冷却速度的提高而降低含量，此时焊缝的组织主要以铁素体和贝氏体为主，如下图3-11所示。由于HC420LA钢中含有微量的N元素，在一定的冷却温度之下，有利于针状铁素体的形成，此时晶粒内部存在大量的针状铁素体，从而在一定程度上改善焊缝韧性。当焊接速度为6mm/s时，焊接接头冷却速度进一步加快，此时焊缝组织以马氏体为主，并伴随着微量先共析铁素体析出，如图3-12所示。当焊接速度为8mm/s时，焊接接头快速冷却，焊缝晶粒以柱状晶为主，板条马氏体存在于晶粒内部，如图3-13所示。因此，随着焊接速度的提高，冷却速度的加快，焊缝的组织从大量的铁素体逐渐开始向马氏体组织转变，奥氏体晶粒的尺寸逐渐减小。图3-10焊缝金属组织图3-11焊缝金属组织图3-12焊缝金属组织图3-13焊缝金属组织2.熔合区金相组织分析焊接接头的熔合区位于焊缝和热影响区，由于靠近焊缝，所以受热温度较高，由熔化的母材和未融化母材组成，微观组织很不均匀，因此熔合区也是焊接接头性能比较脆弱的区域。当焊接速度为2mm/s时，熔合区的晶粒大小极不均匀，金相组织以块状的铁素体和板条状的铁素体为主，如图3-13所示。当焊接速度为4mm/s时，晶粒大小的不均匀程度逐渐降低，金相组织主要以针状铁素体为主，如图3-14所示当焊接速度为6mm/s时，先共析铁素体以柱状晶的形式生长，晶粒逐渐变得规则，金相组织以马氏体为主，如图3-15所示。当焊接速度为8mm/s时，组织不均匀性增大，主要是此时金相组织中含有马氏体和块状铁素体，如图3-16所示。图3-13熔合区组织图3-14熔合区组织图3-15熔合区组织图3-16熔合区组织3.1.3Q345钢和HC420LA钢焊接接头的金相组织对比分析Q345钢在焊接过程中不同区域的最后组织结构不同，随着冷却速度的提升，熔覆金属组织从奥氏体向渗碳体转变，并带有柱状晶生成。粗晶区从奥氏体向马氏体，渗碳体、铁素体转变。细晶区从奥氏体转向粒状珠光体，且随着冷却温度的提升，渗碳体黑色颗粒越细小、铁素体白色相面越多。HC420LA钢在焊接试验中随着冷却温度的不同，各区域的最后组织也发生较大变化。熔覆金属从大量铁素体向马氏体转变，且随着冷却速度的加快，马氏体数量增加，奥氏体晶粒尺寸逐渐减小。在融合区中随着焊接温度的降低，组后金相组织中以铁素体和少量马氏体为主。3.2不同低合金钢焊接接头的硬度分析硬度是一种材料在受压状况下抵抗塑性变形的能力，是检验材料性能的一个重要指标，且材料的硬度越高，裂纹的产生和延伸就越容易。通过对焊接接头的硬度分析，我们能够得出焊接速度对焊接接头产生的影响。本次试验使用维氏硬度计进行硬度测验，每个试样的不同金相部位分别金相三次硬度测验，数据统计后取三组数据的平均值，分析相应的试验结果。3.2.1Q345钢焊接接头硬度分析Q345钢的焊接过程中，主要有三种不同的焊接速度，为此将焊接速度为4mm/s的试样定为一号试样、焊接速度为5mm/s的试样定为二号试样、焊接速度为6mm/s的试样定义为三号试样。每个试样分别在熔覆金属、粗晶区、细晶区、母材进行三次打点测试硬度，然后求硬度平均值，如下表3-1、3-2所示。表3-1不同焊接速度下不同区域的硬度分布表试样一号试样二号试样三号试样熔覆金属267.6254.2273.1277.4262.3267.7286.6287.2291.5粗晶区316.8297.5307.9307.2314.5309.8314.7315.3319.8细晶区312.3295.2306.1309.7319.7313.5314.7315.3319.8母材152.3157.8145.3144.3148.1153.2154.5147.8149.2表3-2不同焊接速度下不同区域的硬度平均值熔覆金属粗晶区细晶区母材一号试样265.0307.4304.5151.8二号试样269.1310.5314.3148.5三号试样288.4316.6319.8150.5图表3-1各试样的各组织的平均维氏硬度值由图表3-1可知，当焊接速度逐渐提高时，焊接接头各区域的硬度值也在相应的提升。熔覆金属硬度提高原因在于奥氏体逐渐向渗碳体转变，而渗碳体含量越高，材料硬度值就越高。粗晶区硬度提高原因在于奥氏体向马氏体转变，马氏体是一种高硬度组织，能提高焊接接头硬度。细晶区硬度提高是因为随着冷却速度的加快，奥氏体向珠光体转变，珠光体是由铁素体和渗碳体组成，当渗碳体黑色颗粒越细，铁素体白色面越多的时候，细晶区硬度值就越高在同一焊接速度之下，随着焊接温度从焊缝中心母材一侧移动的时候，各区域的硬度值也有相应的提高，如图表3-1所示。原因在于随着冷却速度的提高，奥氏体从向铁素体转变逐步成为奥氏体向马氏体、渗碳体、珠光体转变。3.2.2HC420LA钢焊接接头的硬度分析HC420LA钢的焊接过程同Q345钢存在一定区别，主要有四种不同的焊接速度，分别为2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s。为此将焊接速度为2mm/s的试样定为一号试样、焊接速度为2mm/s的试样定为二号试样、焊接速度为6mm/s的试样定义为三号试样、焊接速度为8mm/s的试样定为四号试样。每个试样分别在熔覆金属、粗晶区、细晶区、母材进行三次打点测试硬度，然后求硬度平均值，如下表3-3、3-4所示。表3-3不同焊接速度下不同区域的硬度分布表试样一号试样二号试样三号试样四号试样熔覆金属285.7276.4280.1356.8363.5368.1375.6377.8369.1380.4379.4382.1粗晶区263.1255.4246.8281.2277.4279.6332.3315.6327.8264.3278.4273.1细晶区211.3213.7194.5203.1194.5199.5245.6267.9235.9195.2176.4188.5母材174.3171.8177.5169.1172.5175.6172.7166.9174.5174.1176.3168.5表3-4不同焊接速度下不同区域的硬度平均值熔覆金属粗晶区细晶区母材一号试样280.7255.1206.5174.5二号试样362.8279.4199.0172.4三号试样374.1325.2249.8171.4四号试样380.6271.9186.7173.0图表3-2各试样的各组织的平均维氏硬度值由图表3-2可知，在四种焊接速度之下，焊接接头各区域的硬度相较于母材均有提高，且熔覆金属的硬度值均高于粗晶区、细晶区。其主要原因就是在焊接中焊缝焊接温度最高，促使熔覆金属组织基本奥氏体化。随着焊接温度的提高，焊接接头的冷却速度也逐渐提高，促使熔覆金属组织由铁素体向马氏体组织的转变，所以焊接速度提高的时候，熔覆金属的硬度也在相应的提高。当焊接温度为8mm/s时，焊缝的硬度值最大，超过了母材硬度值的两倍。在同一焊接速度情况下，粗晶区和细晶区的硬度会逐渐降低，原因在于焊接加热温度焊缝中心到母材一侧转移而降低，当温度过低时，奥氏体化不够完全，淬硬组织含量减低。3.2.3Q345钢和HC420LA钢的焊接接头硬度对比分析Q345钢硬度最高的区域是粗晶区、细晶区，且最大值达到319.8HV，同时硬度上升的幅度较小。而HC420LA钢的硬度最高值是熔覆金属区域，硬度值最大为380.6HV，且硬度随熔覆金属向母材一侧移动而逐渐降低，同时下降幅度较大。相同之处在于，经过焊接之后，焊接接头的各区域硬度值均大于母材，且硬度最大值均超过母材硬度值2倍。3.3本章小结本章节主要是焊接试验完成后，通过选取的试样进行金相分析和维氏硬度测试，分别分析了Q345钢和AC420LA钢在不同焊接速度的情况下，各区域的金相组织变化和硬度值变化。同时，将Q345钢和